當液體與溫度遠超其沸點的固體表面接觸時，其底部會產生一層穩定連續的蒸汽層隔斷表面與液體的直接接觸，避免液體劇烈的接觸沸騰，這就是萊頓弗羅斯特效應（Leidenfrost effect）。當萊頓弗羅斯特效應發生時，液體完全懸浮于蒸汽層上，蒸汽潤滑作用下液體運動面臨極低的運動阻力，從而使其運動速度和運動距離得到極大提升。萊頓弗羅斯特效應中液體的高度運動性和近乎無摩擦損失的特性在微流控芯片、新型熱機和可控化學反應等需要高效流體操控的場景具有重要應用價值。通常認為實現蒸汽驅動的萊頓弗羅斯特彈跳需將表面溫度維持在較高的水平（230℃左右），而維持此種程度表面高溫所需熱量卻為對應110℃表面的2.3倍。因此，如何在不影響液體與表面接觸狀態前提下，降低萊頓弗羅斯特效應所需熱量輸入成為值得研究人員關注的問題。弗吉尼亞理工大學機械工程系程江濤教授與大連理工大學高性能精密制造全國重點實驗室的趙磊副教授以及美國橡樹嶺國家實驗室合作，在微納結構表面調控相變傳熱方面取得重要突破和成果。該成果近期以“Low-temperature Leidenfrost-like jumping of sessile droplets on microstructured surfaces”為題，發表在《Nature Physics》上。論文第一作者黃文格同學本科畢業于西安交通大學能源與動力工程專業，現為弗吉尼亞理工大學機械工程系博士研究生。如圖1所示，利用光刻法與深反應離子刻蝕技術在硅片表面制備了直徑為20 mm、高度為20-80 mm、間距120 mm的微柱陣列表面，并通過蒸鍍含氟聚合物涂層的方式能進一步降低其表面能，最終表面的液滴接觸角為118 ± 1°，滑動角為 67 ± 1°。當將表面與其上的液滴轉移到溫度恒定在130℃的熱平臺上時，液滴發生快速萊頓弗羅斯特液滴跳躍現象，從開始變形到完全脫離表面只需要1.33 ms。如圖2所示，實驗中觀測到萊頓弗羅斯特跳躍液滴內部有快速擴張的氣泡。相變產生的超壓（overpressure）會導致氣泡快速的慣性擴張(inertia-controlled growth)，快速擴張的氣泡會產生巨大的動量傳遞，使得液滴克服表面的附著力和本身重力，導致液滴的快速跳躍。 當降低微柱高度而其他條件保持不變時，液滴呈現出截然不同的振蕩彈跳(圖3)。如圖4所示，通過對振蕩彈跳液滴內部氣泡的擴張進行觀察和分析，發現液滴底部的氣泡在經過初始快速擴張后，會發生臨時收縮現象，導致蒸汽泡展現出擴張-收縮-擴張的間歇性生長，而蒸汽泡的最終階段的擴張受傳熱效率所限制，呈現出一種傳熱限制的氣泡擴張模式（heat-transfer-limited growth）。進一步的理論分析表明，蒸汽泡的慣性驅動擴張(inertia-controlled growth)與傳熱限制擴張模式（heat-transfer-limited growth）導致液滴分別以恒定動能與恒定速度的模式脫離表面，并得到了實驗驗證。 如圖5所示,研究人員全面分析了基底微柱高度和基底表面溫度對液滴跳躍的影響。通過逐漸改變基底微柱高度和基底表面溫度，發現液滴的跳躍模式主要是由基底微柱高度決定。在短微柱的基底上，升高基底表面溫度，并不會使液滴從振蕩跳躍轉變為萊頓弗羅斯特跳躍。這是由于傳熱過程時間尺度（≈20 ms）遠大于氣泡慣性驅動擴張的時間尺度（1.33 ms），因此熱邊界層的厚度主要由微柱高度決定。當微柱高度較大時，熱邊界層較厚，為蒸汽泡的慣性驅動擴張創造一個完整的過熱環境；微柱陣列高度較小時，熱邊界層較薄。成核后的蒸汽泡在擴張時會超出熱邊界層范圍，與外部過冷液體接觸發生局域冷凝與坍縮，導致液滴出現振蕩彈跳。 圖5. 基底微柱高度和基底表面溫度對液滴跳躍的影響圖6展示了氣泡驅動的萊頓弗羅斯特彈跳在表面自清潔領域的應用。傳統表面通常會引入微肋片、微凸起等表面結構以強化傳熱，而流體工質中的雜質往往會沉積在表面粗糙結構的深處，給表面防污去污帶來極大挑戰。常溫狀態下，雖然液態工質可以進入表面結構深處部分溶解雜質，但是由于咖啡環效應，其干燥后仍會導致雜質在結構深處殘留；而高溫狀態下，萊頓弗羅斯特效應導致液體無法進入結構深處實現雜質祛除。本工作展示利用常溫狀態Wenzel液滴溶解表面結構深處的沉積雜質，依靠加熱升溫后產生的蒸汽泡使結構深處沉積物進一步脫落懸浮，并最終利用液滴的自發彈跳實現表面的自清潔。圖6. 加熱表面液滴的快速相變和跳躍可以去除深層雜質自1756年萊頓弗羅斯特系統研究蒸汽驅動的高溫表面液體懸浮，及萊頓弗羅斯特效應以后，高溫表面結構設計就面臨熱量傳遞效率與表面液體運動性能無法兼顧的困境。基于表面結構設計以降低發生蒸汽驅動的液體彈跳是解決上述困境的有效方式。本文作者通過微觀層面表面微柱陣列結構的精準設計，在130℃下即實現了液體的反常萊頓弗羅斯特彈跳。在液體對流、沸騰、與液滴振蕩與彈跳的紛亂物理現象中，本文作者們發現了表面微結構、蒸汽泡運動、熱邊界層擴張及液滴運動行為之間的有序關聯，為高溫結構表面深度自清潔開辟了新的途徑。從更廣泛的視角來看，該研究優化了蒸汽介導液滴高效操控所需熱量輸入，代表了我們對相變過程中動量、質量和能量復雜傳遞的理解的進一步深入。Nature Physics期刊編輯總結道：“The Leidenfrost effect-a droplet hovering on a hot surface due to vapor in between-requires a surface temperature of about 230 ℃. Now a tailored microstructured surface is shown to enable quick hovering of water droplets at 130 ℃ (萊頓弗羅斯特效應，即蒸汽支撐的熱表面液滴懸浮，通常需要表面溫度達到230℃。而微結構表面設計可以在130 ℃下實現水滴的快速懸浮)” Wenge Huang, Lei Zhao*, Xukun He, Yang Li, C. Patrick Collier, Zheng Zheng, Jiansheng Liu, Dayrl P. Briggs, Jiangtao Cheng*. Low-temperature Leidenfrost-like jumping of sessile droplets on microstructured surfaces. Nature Physics, 2024. https://doi.org/10.1038/s41567-024-02522-z程江濤博士，美國弗吉尼亞理工大學機械工程系教授。主要研究方向為微納米流體、微流控光學、熱流體動力學、傳熱學與微電子器件冷卻、可再生能源利用等。研究工作獲得美國2010年度太陽能最佳發明獎和6次國際大會最佳論文獎。2013年獲得中國國家自然科學基金委海外杰出青年學者獎。2016年獲得弗吉尼亞理工大學關鍵技術與應用科學研究院的青年教師獎。2021年當選美國機械工程師學會(ASME)會士。受邀成為70多個國際期刊和國際會議的審稿人，擔任多個國際大會的分會主席等。在國際頂級期刊和國際重要會議上發表文章80余篇。趙磊，工學博士，大連理工大學副教授。主要從事仿生功能表面設計制造和表界面強化傳熱傳質方面的理論與實驗研究。關注機械裝備設計加工過程中的熱質傳遞過程，結合跨尺度多物理場仿真、實驗手段與理論分析等研究手段，致力于實現機械裝備與流體工質之間能量高效轉化和驅動。目前在Nature Physics、Nature Communications、Science Advances、Nano Letters等國際著名期刊發表論文20余篇，研究成果受到世界經濟論壇、每日科學、EurekAlert! 、美國消費者新聞與商業頻道等全球數十家國際知名科學媒體跟蹤報道. 主持或參與國家自然科學基金項目、美國國家自然科學基金項目在內的多個國內外重要科研項目。
